torsdag 7. april 2016

Analyse av 3-bånds trapdipol for 10 m, 15 m og 20 m.


Trapdipol for 10 m, 15 m og 20 m.
For tiden driver jeg og bygger meg en trapdipol for 10 m, 15 m og 20 m. Hver halvdel av dipolen skal ha 2 traps, en trap for 10 m og en trap for 20 m, totalt 4 traps til sammen. Jeg har tenkt å bruke trapsene jeg laget meg tidligere denne uken.
For ordens skyld består trapsene for 10 m av en spole på 2,08 uH i parallell med en kondensator på 15 pF og trapsene for 15 m består av en spole på 2,82 uH i parallell med en kondensator på 20 pF.
Etter at jeg har målt dempningen på trapsene har jeg beregnet trapsenes indre seriemotstand til å være ca. 0,5 ohm. Jeg har derfor ett godt utgangspunkt for å kunne gjøre realistiske simuleringer av antennen. Jeg bygger antennen av 2,5 mm^2 PN-ledning.

SWR fra 13 - 30 MHz. 20 m, 15 m og 10 m er indikert med grått.
Det første jeg har kikket på når jeg har analysert antennen er SWR. På figuren ovenfor kan man se SWR i frekvensområdet 13 - 30 MHz, jeg har markert 20 m, 15 m og 10 m båndene i grått. Innimellom disse båndene har man 17 m og 12 m, men de båndene  har jeg ikke markert siden disse ikke er aktuelle for denne antennen.

Simulert SWR på 20 m.

Simulert SWR på 15 m.

Simulert SWR på 10 m.
Umiddelbart ser SWR på 10 m mye dårligere ut enn på 15 m og 20 m, men når man tenker på at 10 m dekker hele 1,7 MHz blir ikke SWR så galt likevel. På 10 m har jeg valgt 28400 kHz som senterfrekvens fordi det mest aktuelle frekvensområdet for meg på 10 m er PSK, RTTY og SSB segmentene.

Det neste jeg kikket på var utstrålingen på de forskjellige båndene, i og med at dette er en halvbølgedipol med traps, forventer jeg at utstrålingen ligner utstrålingen man får fra en vanlig halvbølgedipol. Antennen er simulert med en høyde på 10 m over bakken med gjennomsnittlig jord.
(0,005 Siemens og en dielektrikum konstant på 13.)

Utstrålingen på 20 m sett fra siden.


Utstrålingen på 20 m sett ovenfra.

Utstrålingen på 15 m sett fra siden.

Utstrålingen på 15 m sett ovenfra.
Utstrålingen på 10 m sett fra siden.

Utstrålingen på 10 m sett ovenfra.
Utstrålingsdiagrammene viser at både forsterkning og formen på utstrålingsdiagremmene er omtrent identiske med det man kan forvente fra en halvbølgedipol på samme høyde.

Noen annet som er interessant når man skal lage antenner med traps er å se på hvilke strømmer som går i trapsene og spenninger som ligger over trapsene, samt selvsagt å se på tapet i trapsene. Eznec har ett glimrende vertøy nettopp for å se på slike ting som dette, nedenfor er dataene Eznec har regnet ut for denne antenne for frekvensene 14,2 MHz, 21,2 MHz og 28,5 MHz.
                
            
--------------- LOAD DATA ---------------
Frequency = 14,2 MHz

10 m trap 1  
Voltage = 768,9 V at 267,57 deg.
Current = 3,114 A at 177,77 deg.
Impedance = 0,8913 + J 246,9 ohms
Power = 8,645 watts

10 m trap 2  
Voltage = 768,9 V at 87,57 deg.
Current = 3,114 A at -2,23 deg.
Impedance = 0,8913 + J 246,9 ohms
Power = 8,644 watts

15 m trap 1  
Voltage = 1093 V at 267,36 deg.
Current = 2,394 A at 177,57 deg.
Impedance = 1,658 + J 456,6 ohms
Power = 9,503 watts

15 m trap 2  
Voltage = 1093 V at 87,36 deg.
Current = 2,394 A at -2,43 deg.
Impedance = 1,658 + J 456,6 ohms
Power = 9,501 watts

Total applied power = 1000 watts
Total load power = 36,29 watts
Total load loss = 0,161 dB

--------------- LOAD DATA ---------------
Frequency = 21,2 MHz

10 m trap 1  
Voltage = 992,6 V at 265,52 deg.
Current = 1,599 A at 175,81 deg.
Impedance = 3,087 + J 620,6 ohms
Power = 7,897 watts

10 m trap 2  
Voltage = 992,6 V at 85,52 deg.
Current = 1,599 A at -4,19 deg.
Impedance = 3,087 + J 620,6 ohms
Power = 7,897 watts

15 m trap 1  
Voltage = 2521 V at 85,74 deg.
Current = 0,012 A at 109,41 deg.
Impedance = 192400 - J 84330 ohms
Power = 27,71 watts

15 m trap 2  
Voltage = 2521 V at -94,26 deg.
Current = 0,012 A at -70,59 deg.
Impedance = 192400 - J 84330 ohms
Power = 27,71 watts

Total applied power = 1000 watts
Total load power = 71,22 watts
Total load loss = 0,321 dB

--------------- LOAD DATA ---------------
Frequency = 28,5 MHz

10 m trap 1  
Voltage = 1569 V at 83,7 deg.
Current = 0,008313 A at 97,59 deg.
Impedance = 183300 - J 45320 ohms
Power = 12,66 watts

10 m trap 2  
Voltage = 1569 V at -96,3 deg.
Current = 0,008313 A at -82,41 deg.
Impedance = 183300 - J 45320 ohms
Power = 12,66 watts

15 m trap 1  
Voltage = 47,52 V at 68,86 deg.
Current = 0,07608 A at 158,76 deg.
Impedance = 1,091 - J 624,6 ohms
Power = 0,006316 watts

15 m trap 2  
Voltage = 47,52 V at -111,14 deg.
Current = 0,07608 A at -21,24 deg.
Impedance = 1,091 - J 624,6 ohms
Power = 0,006316 watts

Total applied power = 1000 watts
Total load power = 25,34 watts
Total load loss = 0,111 dB

Under simuleringen er antennen tilført 1kW, som man ser er tapet størst på 15 m med 0,321 dB, dette tapet er så lite at det vil være umulig å detektere på lufta, breden på nålen på ett godt S-meter vil faktisk være mange ganger bredere enn 0,321 dB. Det viser hvor effektiv en trapdipol faktisk er når den er laget med gode traps. For å lage gode traps er det avgjørende at man har en spole med god ledningsevne og kondensatorer med lite tap, det er også viktig at kondensatorene tåler høy spenning, spesielt dersom man skal kjøre så høye effekter som 1 kW, men også ved 100 watt kommer spenningen over trapsene nesten opp i 800 volt.

For videre å vise hvor lite 0,321 dB i tap er, kan man tenke seg at man føder antennen med 12,8 m RG-58 koaks, det gir 1 dB i tap på 21,2 MHz. Dette tapet er uungåelig så lenge vi velger å bruke RG-58. Ved 21,2 MHz har har denne antennen ett SWR på 1,4, det gir ett tilleggstap på 0,05 dB, slik at det reelle tapet i koaksen er på 1,05 dB. Summerer man tapene i trapsene sammen med tapet i koaksen får man ett totalt tap for antennesystemet på 1,376 dB.

Dersom man istedet for trapdipolen for eksempel hadde valgt å bruke en FD4 windomantenne på 15 m, slik mange gjør, ville tallene sett ganske annerledes ut. En FD4 windom som henger 10 m over gjennomsnittlig jord har ett SWR på 10,8 ved 21,2 MHz, SWR målt i shacken med 12,8 m RG-58 vil være 4,9, og altså innenfor det mange tunere klarer å tune. Siden SWR på denne antennen er 10,8 gir dette ett tilleggstap på 2,78 dB i koaksen, det reelle tapet i koaksen vil da være 3,78 dB. Siden vi fremdeles har rikelig med SWR må vi benytte en god antennetuner for å få ned SWR, tall fra tester som ARRL har gjort viser at tapet i antennetunere ved slike SWR nivåer ligger på mellom 10 og 20 %, vi bruker derfor ett tap på 15 % som ett gjennomsnittstap for tunere i denne regneøvelsen, 15% tap tilsvarer 0,7 dB. Summerer man tapet i antennetuneren sammen med tapet i koaksen får man ett totalt tap for antennesystemet på 4,48 dB. Med andre ord, trapdipolen har 3,1 dB mindre i tap på 15 m. Det betyr ikke at FD4 antennen er dårlig, det betyr bare at den ikke er så god på 15 m, men det er heller ingen overraskelse, FD4 antennen er jo ikke beregnet på å brukes på 15 m.

Dersom man istedet for trapdipolen for eksempel hadde valgt å bruke en halvbølgedipol på 15 m,ville tallene sett slik ut. En halvbølgedipol for 15 som henger 10 m over gjennomsnittlig jord har ett SWT på 1,35 ved 21,2 MHz, det gir ett tilleggstap på 0,05 dB, slik at det reelle tapet i koaksen er på 1,05 dB. Tapet i dette antennesystemet er da på 1,05 dB. En vanlig halvbølgedipol har altså bare 0,321 mindre tap enn trapdipolen, som er akkurat det samme tapet som Eznec regnet ut.

Oppsummering:
Forskjellen på å bruke en halvbølgedipol og en trapdipol er 0,32 dB i favør av halvbølgedipolen.
Forskjellen på å bruke en halvbølgedipol og en FD4 windom er 3,4 dB i favør av halvbølgedipolen.
Forskjellen på å bruke en trapdipol og en FD4 windom er 3,1 dB i favør av trapdipolen.

Simuleringene viser at trapdipolen skal fungere like godt som vanlige halvbølgedipoler på båndene antennen er laget for.
Legg inn en kommentar